Si bien los científicos saben desde hace mucho tiempo que los minerales de óxido de hierro ayudan a retener enormes cantidades de carbono (secuestrándolo de la atmósfera), un nuevo estudio de la Universidad Northwestern revela ahora exactamente por qué estos minerales son trampas de carbono tan poderosas.
por Amanda Morris, Universidad Northwestern
Al explorar la ferrihidrita, un mineral común de óxido de hierro, los ingenieros descubrieron que emplea múltiples estrategias químicas fundamentalmente diferentes para capturar el carbono y retenerlo.
Aunque la ferrihidrita tiene una carga eléctrica positiva general, los ingenieros descubrieron que su superficie no está cargada uniformemente. En cambio, se asemeja a un mosaico a escala nanométrica de zonas con carga positiva y negativa. Además, la ferrihidrita no atrapa el carbono únicamente mediante atracción electrostática. También utiliza enlaces químicos y puentes de hidrógeno para formar fuertes enlaces químicos entre su superficie y los materiales orgánicos.
Estas estrategias inesperadas convierten a los minerales de óxido de hierro en captadores de carbono altamente versátiles, capaces de capturar y retener diversos tipos de moléculas orgánicas. Los hallazgos ofrecen una nueva perspectiva sobre cómo estos minerales en los suelos retienen el carbono durante décadas o incluso siglos, impidiendo que entre en la atmósfera como gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global.
El estudio se publicó en la revista Environmental Science & Technology . La investigación proporciona la perspectiva más detallada hasta la fecha sobre la química superficial de la ferrihidrita, un importante tipo de mineral de óxido de hierro.
«Los minerales de óxido de hierro son importantes para controlar la conservación a largo plazo del carbono orgánico en suelos y sedimentos marinos», afirmó Ludmilla Aristilde, de Northwestern, quien dirigió el estudio. «El destino del carbono orgánico en el medio ambiente está estrechamente vinculado al ciclo global del carbono, incluyendo la transformación de la materia orgánica en gases de efecto invernadero. Por lo tanto, es importante comprender cómo los minerales retienen la materia orgánica, pero hasta ahora no se ha realizado una evaluación cuantitativa de cómo los óxidos de hierro retienen diferentes tipos de materia orgánica mediante diferentes mecanismos de unión».
Experta en la dinámica de la materia orgánica en procesos ambientales, Aristilde es profesora de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. También es miembro del Instituto Internacional de Nanotecnología, el Instituto Paula M. Trienens para la Sostenibilidad y la Energía y el Centro de Biología Sintética. Jiaxing Wang es el primer autor del estudio y Benjamin Barrios Cerda es el segundo. Tanto Wang como Barrios Cerda son actualmente investigadores postdoctorales asociados en el laboratorio de Aristilde.
Manteniendo el carbono enterrado
Con aproximadamente 2,5 billones de toneladas de carbono secuestrado , el suelo es uno de los mayores sumideros de carbono de la Tierra, solo superado por el océano. Pero aunque el suelo nos rodea por todas partes, los científicos apenas comienzan a comprender cómo retiene el carbono para eliminarlo del ciclo activo del carbono.
Combinando experimentos de laboratorio con modelos teóricos, Aristilde y su equipo han dedicado años al estudio de minerales y microbios que habitan en el suelo con el objetivo de determinar los factores que hacen que este atrape o libere carbono. En trabajos anteriores, Aristilde y su equipo exploraron cómo los minerales arcillosos fijan la materia orgánica y cómo los microbios del suelo convierten preferentemente la materia orgánica no azucarada en dióxido de carbono.
En el nuevo estudio, el grupo de Aristilde se centró en los minerales de óxido de hierro, que se asocian con más de un tercio del carbono orgánico almacenado en los suelos. Específicamente, el equipo examinó la ferrihidrita, un tipo de mineral de óxido de hierro que se encuentra comúnmente en suelos cerca de las raíces de las plantas o en suelos y sedimentos con abundante materia orgánica. Si bien la ferrihidrita parece tener carga positiva en diversas condiciones ambientales, logra unirse a una amplia variedad de compuestos orgánicos: algunos con carga negativa, otros con carga positiva y otros neutros.
Observando cómo las moléculas se adhieren
Para comprender cómo ocurre esto, Aristilde y su equipo utilizaron primero modelado molecular de alta resolución y microscopía de fuerza atómica para obtener una visión detallada de la superficie del mineral. Si bien la carga del mineral es positiva en general, los investigadores descubrieron que su superficie contiene zonas intercaladas de cargas positivas y negativas. Este hallazgo explica por qué la ferrihidrita puede atraer especies con carga negativa, como el fosfato, y especies con carga positiva, como los iones metálicos.
«Está bien documentado que la carga total de la ferrihidrita es positiva en condiciones ambientales relevantes», afirmó Aristilde. «Esto ha llevado a suponer que solo los compuestos con carga negativa se unirían a estos minerales, pero sabemos que los minerales pueden unir compuestos con cargas tanto negativas como positivas. Nuestro trabajo ilustra que es la suma de las cargas negativas y positivas distribuidas por la superficie lo que confiere al mineral su carga total positiva».
Tras mapear las cargas superficiales de la ferrihidrita, Aristilde y su equipo analizaron cómo se unen las moléculas a ella, lo que les permitió relacionar la química superficial directamente con la captura de carbono. Introdujeron la ferrihidrita en moléculas orgánicas comunes en los suelos, como aminoácidos, ácidos vegetales, azúcares y ribonucleótidos. Posteriormente, midieron la cantidad de estas moléculas adheridas a la ferrihidrita y utilizaron espectroscopia infrarroja para examinar con precisión cómo se adhirió cada molécula.
Más que atracción
Finalmente, el equipo descubrió que los compuestos se unen a la ferrihidrita mediante múltiples estrategias. Mientras que los aminoácidos con carga positiva se unían a las zonas negativas de la superficie de la ferrihidrita, los aminoácidos con carga negativa se unían a las zonas con carga positiva. Otros compuestos, como los ribonucleótidos, son atraídos primero a la ferrihidrita por atracción electrostática y luego forman enlaces químicos mucho más fuertes con los átomos de hierro. Y los azúcares, que forman los enlaces más débiles, se unen al mineral mediante enlaces de hidrógeno.
«En conjunto, nuestros hallazgos proporcionan una justificación, cuantitativa, para construir un marco que explique los mecanismos que impulsan las asociaciones mineral-orgánicas que involucran óxidos de hierro en la conservación a largo plazo de la materia orgánica», afirmó Aristilde. «Estas asociaciones podrían ayudar a explicar por qué algunas moléculas orgánicas permanecen protegidas en los suelos, mientras que otras son más vulnerables a la degradación y la respiración microbiana».
A continuación, el equipo planea investigar qué sucede después de que las moléculas orgánicas se adhieren a las superficies minerales. Algunos compuestos pueden sufrir transformaciones químicas, transformándose en productos que pueden degradarse aún más o incluso en productos más estables, resistentes a la descomposición.
Más información: Jiaxing Wang et al., Heterogeneidad de la carga superficial y mecanismos de los modos de enlace orgánico en un oxihidróxido de hierro, Environmental Science & Technology (2025). DOI: 10.1021/acs.est.5c10850
